Khoá Luận Tốt Nghiệp: Nghiên Cứu Và Thiết Kế Cầu Qua Sông Vàm Cỏ

Khóa luận tốt nghiệp cầu qua sông Vàm Cỏ phân tích thiết kế, thi công và giải pháp kỹ thuật cho công trình giao thông hiệu quả, bền vững.

• Tác giả: Vũ Hữu Tân
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Anh Tuấn
• Trường học: Đại học Dân Lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Thiết kế cầu
• Đề tài: Thiết kế cầu qua sông Vàm Cỏ
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Khoá luận tốt nghiệp này tập trung vào thiết kế cầu qua sông Vàm Cỏ, một dự án quan trọng trong việc phát triển cơ sở hạ tầng giao thông tại tỉnh Đồng Tháp. Tài liệu này cung cấp hướng dẫn chi tiết về quy trình thiết kế, từ nghiên cứu khả thi đến các phương án kết cấu. Công trình cầu này không chỉ giải quyết nhu cầu giao thông hiện tại mà còn góp phần thúc đẩy kinh tế địa phương. Kỹ thuật xây dựng được áp dụng trong dự án này đảm bảo tính bền vững và hiệu quả kinh tế.

1.1 Nghiên cứu khả thi

Phần nghiên cứu khả thi đánh giá hiện trạng giao thông và nhu cầu xây dựng cầu qua sông Vàm Cỏ. Các căn cứ pháp lý và quy hoạch phát triển kinh tế của tỉnh Đồng Tháp được xem xét kỹ lưỡng. Dự án cầu này nhằm giải quyết tình trạng ách tắc giao thông và hoàn thiện mạng lưới giao thông khu vực.

1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội

Tỉnh Đồng Tháp có nền kinh tế chủ yếu dựa vào nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy sản. Công trình cầu qua sông Vàm Cỏ sẽ thúc đẩy thương mại và du lịch, đồng thời cải thiện hệ thống giao thông đường bộ và đường thủy. Đây là yếu tố quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế của tỉnh.

II. Thiết kế cầu và tuyến

Phần này trình bày các phương án thiết kế kết cấu cầu qua sông Vàm Cỏ. Ba phương án được đề xuất bao gồm cầu dầm BTCT DƯL, cầu dầm thép liên hợp BTCT và cầu liên tục đúc hẫng cân bằng. Mỗi phương án được phân tích kỹ lưỡng về kỹ thuật xây dựng, chi phí và tính khả thi. Quy trình thiết kế tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành, đảm bảo an toàn và hiệu quả.

2.1 Phương án 1 Cầu dầm BTCT DƯL

Phương án này sử dụng cầu dầm BTCT DƯL với 6 nhịp đơn giản, thi công bằng phương pháp bắc cầu. Kết cấu phần dưới bao gồm mố chữ U và trụ thân đặc, đảm bảo độ bền và ổn định. Phương án này phù hợp với điều kiện địa chất và địa hình khu vực.

2.2 Phương án 2 Cầu dầm thép liên hợp BTCT

Phương án này đề xuất cầu dầm thép liên hợp BTCT với 6 nhịp 27m, thi công bằng phương pháp lao kéo dọc. Kỹ thuật xây dựng này giúp giảm thời gian thi công và chi phí, đồng thời đảm bảo tính thẩm mỹ và độ bền của công trình.

2.3 Phương án 3 Cầu liên tục đúc hẫng cân bằng

Phương án này sử dụng cầu liên tục đúc hẫng cân bằng với 3 nhịp, đảm bảo tính thẩm mỹ và độ bền cao. Thiết kế kết cấu này phù hợp với các công trình có yêu cầu cao về độ võng và khả năng chịu tải.

III. Tính toán sơ bộ khối lượng và tổng mức đầu tư

Phần này trình bày chi tiết việc tính toán sơ bộ khối lượng vật liệu và chi phí cho từng phương án thiết kế cầu. Các yếu tố như khối lượng bê tông, cốt thép và chi phí thi công được tính toán dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Kỹ thuật dân dụng được áp dụng để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả kinh tế của dự án.

3.1 Khối lượng bê tông và cốt thép

Khối lượng bê tông và cốt thép được tính toán chi tiết cho từng phương án. Ví dụ, phương án 1 sử dụng khoảng 392.87 tấn cốt thép và 3928.7 m3 bê tông. Kỹ thuật xây dựng được áp dụng để tối ưu hóa khối lượng vật liệu, giảm chi phí mà vẫn đảm bảo độ bền của công trình.

3.2 Tổng mức đầu tư

Tổng mức đầu tư cho dự án được ước tính dựa trên khối lượng vật liệu và chi phí thi công. Phương án 1 có tổng mức đầu tư khoảng 50 tỷ đồng, trong khi phương án 2 và 3 có chi phí cao hơn do yêu cầu kỹ thuật phức tạp hơn. Dự án cầu này được đánh giá là khả thi về mặt kinh tế và kỹ thuật.

IV. Phân tích kỹ thuật và ứng dụng thực tế

Phần này phân tích sâu về các kỹ thuật xây dựng được áp dụng trong dự án, bao gồm phương pháp thi công, vật liệu sử dụng và các tiêu chuẩn kỹ thuật. Công trình cầu qua sông Vàm Cỏ không chỉ giải quyết nhu cầu giao thông mà còn góp phần phát triển kinh tế địa phương. Khoá luận tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư xây dựng và sinh viên ngành kỹ thuật.

4.1 Phương pháp thi công

Các phương pháp thi công như bắc cầu, lao kéo dọc và đúc hẫng cân bằng được phân tích chi tiết. Kỹ thuật xây dựng này đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong quá trình thi công. Quy trình thiết kế được tuân thủ nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng công trình.

4.2 Ứng dụng thực tế

Công trình cầu qua sông Vàm Cỏ có ý nghĩa quan trọng trong việc kết nối giao thông giữa các huyện C và D, thúc đẩy phát triển kinh tế và du lịch. Khoá luận tốt nghiệp này cung cấp cái nhìn toàn diện về quy trình thiết kế và thi công, là tài liệu tham khảo giá trị cho các dự án tương tự trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong chiến lược phát triển kinh tế - xã hội, hệ thống hạ tầng giao thông vận tải luôn giữ vai trò tiền đề đi trước mở đường nhằm bảo đảm lưu thông hàng hóa và liên kết vùng. Tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long nói chung và tỉnh Đồng Tháp nói riêng, mạng lưới sông ngòi kênh rạch chằng chịt tạo ra nhiều điểm chia cắt giao thông thủy - bộ. Công trình cầu A bắc qua sông Vàm Cỏ được nghiên cứu xây dựng nhằm nối liền hai huyện C và D thuộc tỉnh Đồng Tháp, nằm trên tuyến tỉnh lộ E huyết mạch.

Hiện tại, toàn bộ các phương tiện giao thông đường bộ vượt sông Vàm Cỏ tại vị trí này phụ thuộc hoàn toàn vào hệ thống phà. Hình thức vận tải vượt sông bằng phà bộc lộ nhiều điểm nghẽn: hạn chế năng lực thông hành, kéo dài thời gian hành trình, gây ùn tắc giao thông cục bộ trong giờ cao điểm và tạo xung đột nguy hiểm đối với luồng vận tải đường thủy nội địa. Việc khảo sát, lập dự án nghiên cứu đầu tư xây dựng mới công trình cầu A là yêu cầu cấp thiết nhằm hoàn chỉnh mạng lưới giao thông của tỉnh, đáp ứng nhu cầu gia tăng phương tiện vận tải và thúc đẩy phát triển kinh tế của khu vực hai huyện C - D.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo các nội dung sau:

1. Nghiên cứu tổng quan điều kiện tự nhiên, địa hình, khí hậu, thủy văn, địa chất khu vực tuyến tránh thị xã C và vị trí vượt sông Vàm Cỏ.
2. Đánh giá hiện trạng kinh tế - xã hội, mạng lưới giao thông đường bộ, đường thủy hiện hữu và phân tích dự báo nhu cầu lưu lượng xe chạy đến năm 2030.
3. Đề xuất các phương án vượt sông khả thi, lựa chọn kết cấu nhịp và kết cấu phần dưới bảo đảm các yêu cầu kỹ thuật và khổ thông thuyền luồng sông cấp V.
4. Tính toán thiết kế sơ bộ kích thước hình học, tải trọng tác dụng, kiểm toán nội lực mố trụ và xác định sức chịu tải của móng cọc khoan nhồi cho các phương án.
5. Lập dự toán xây lắp sơ bộ, xác định tổng mức đầu tư và so sánh kinh tế - kỹ thuật nhằm tìm ra giải pháp tối ưu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Giải pháp thiết kế công trình cầu vượt sông Vàm Cỏ (Cầu A) bằng kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực và thép liên hợp.
• Phạm vi không gian: Tuyến đường tỉnh lộ E đi qua địa bàn hai huyện C và D, tỉnh Đồng Tháp; tuyến cắt tránh qua khu dân cư ngoại vi thị xã C; vị trí lòng sông Vàm Cỏ ổn định với khẩu độ thoát nước tự nhiên đạt 150 m.
• Phạm vi thời gian và tài liệu quy hoạch: Số liệu hiện trạng kinh tế - giao thông giai đoạn 2010 - 2013; định hướng quy hoạch mạng lưới giao thông tỉnh Đồng Tháp giai đoạn 1999 - 2020, tầm nhìn đến năm 2030; số liệu dự báo tăng trưởng giao thông giai đoạn 2013 - 2030 do Viện Chiến lược và Phát triển GTVT xác lập. Đồ án được hoàn thành vào tháng 01 năm 2014.

Cơ sở pháp lý, quy chuẩn và phương pháp thiết kế

Quá trình nghiên cứu và lập phương án thiết kế công trình cầu A tuân thủ các căn cứ pháp lý sau:

• Quyết định số 1206/2004/QĐ-UBND ngày 11 tháng 12 năm 2004 của Ủy ban nhân dân tỉnh Đồng Tháp về việc phê duyệt quy hoạch phát triển mạng lưới giao thông tỉnh Đồng Tháp giai đoạn 1999 - 2020 và định hướng đến năm 2030.
• Văn bản số 215/UB-GTXD ngày 26 tháng 3 năm 2005 của Ủy ban nhân dân tỉnh Đồng Tháp cho phép Sở Giao thông Vận tải lập dự án đầu tư và nghiên cứu xây dựng cầu A.
• Văn bản số 260/UB-GTXD ngày 17 tháng 4 năm 2005 của Ủy ban nhân dân tỉnh Đồng Tháp về việc cho phép mở rộng phạm vi nghiên cứu tuyến cầu E về phía Tây sông Vàm Cỏ.
• Văn bản số 1448/CĐS-QLĐS ngày 14 tháng 8 năm 2001 của Cục Đường sông Việt Nam quy định về cấp kỹ thuật và hành lang bảo vệ luồng đường thủy.

Hệ thống tiêu chuẩn, quy phạm kỹ thuật áp dụng:

• Quy chuẩn thiết kế: Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ 22 TCN 272-05 do Bộ Giao thông Vận tải ban hành, áp dụng phương pháp thiết kế hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD) theo các trạng thái giới hạn.
• Tải trọng thiết kế: Hoạt tải HL-93 (gồm xe tải thiết kế kết hợp tải trọng làn rải đều, xe hai trục thiết kế kết hợp tải trọng làn, hoặc tổ hợp hai xe tải ba trục có xét hệ số xung kích IM và hệ số làn m).
• Cấp công trình và thông số thủy văn: Công trình thiết kế vĩnh cửu; tần suất lũ thiết kế P = 1%; cấp thông thuyền đường thủy nội địa cấp V với khổ thông thuyền quy định B = 25 m, H = 3,5 m (phương án dầm liên tục xét tĩnh không H = 3,0 m).
• Mực nước tính toán: Mực nước cao nhất thiết kế MNCN = +8,80 m; mực nước thấp nhất MNTN = +3,00 m; mực nước thông thuyền MNTT = +5,60 m. Khẩu độ thoát nước lòng sông L0 = 150 m.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán thực tế:

• Phương pháp điều tra, phân tích, tổng hợp: Thu thập chuỗi số liệu khí hậu, thủy văn nhiều năm tại Đồng Tháp (nhiệt độ bình quân 27°C, lượng mưa trung bình 1520 mm/năm) và số liệu khảo sát địa chất công trình từ 4 hố khoan (lý trình 10 m, 60 m, 120 m, 190 m) với thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT (chỉ số N60 dao động từ 3 đến 35).
• Phương pháp giải tích kết cấu theo đường ảnh hưởng: Lập đường ảnh hưởng nội lực, xếp tải trọng thường xuyên (tĩnh tải DC giai đoạn 1, tĩnh tải DW giai đoạn 2) và hoạt tải LL nhằm tính toán phản lực truyền xuống đỉnh mố, trụ và bệ móng ở trạng thái giới hạn cường độ I.
• Phương pháp cơ học đất và móng cọc: Xác định sức chịu tải cho phép của cọc khoan nhồi đường kính D = 1,0 m và D = 1,2 m theo hai điều kiện: độ bền vật liệu làm cọc ($P_v$) và sức kháng đỡ của nền đất đá ($Q_R = \phi_p \cdot Q_p + \phi_s \cdot Q_s$) theo các công thức quy định tại Điều 10.2 và Phụ lục A5.4 của tiêu chuẩn 22 TCN 272-05.
• Phương pháp bóc tách khối lượng và lập dự toán: Xác định chi phí xây lắp trực tiếp (kết cấu phần trên, kết cấu phần dưới, đường hai đầu cầu), chi phí phụ trợ, chi phí kiến thiết cơ bản khác, trượt giá và dự phòng phí theo biểu giá vật liệu xây dựng xây lắp công trình cầu.

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp thi công công trình

Đồ án xây dựng chi tiết phương án kỹ thuật và công nghệ thi công cho từng bộ phận công trình:

1. Kết cấu nhịp và phân bố mặt cắt ngang:

• Quy mô mặt cắt ngang toàn cầu: Chiều rộng phần xe chạy 2 làn xe K = 11,0 m; hai gờ lan can $2 \times 0,5\text{ m}$; tổng bề rộng mặt cầu B = 12,0 m. Độ dốc ngang mặt đường $i = 2%$ về hai phía; độ dốc dọc vuốt theo đường cong đứng bán kính $R = 4500\text{ m}$.
• Phương án 1 (Dầm I bê tông cốt thép dự ứng lực): Gồm 6 nhịp giản đơn dài 27 m, tổng chiều dài toàn cầu 162,5 m. Mặt cắt ngang gồm 5 dầm chủ chữ I cao 1,35 m - 1,8 m, cự ly dầm 2,4 m, chiều dày sườn dầm 20 cm. Bố trí 5 dầm ngang cao 52 cm, rộng 20 cm trên mỗi nhịp. Bê tông dầm chủ mác M300; cốt thép cường độ cao S-31, S-32 (hãng VSL - Thụy Sĩ); thép thường CT3 và CT5.
• Phương án 2 (Dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép): Gồm 6 nhịp giản đơn dài 27 m, tổng chiều dài toàn cầu 162,0 m. Mặt cắt ngang gồm 6 dầm thép chữ I liên hợp cao 1,1 m kết hợp bản bê tông cốt thép dày 20 cm (chiều cao dầm liên hợp tổng thể đạt 1,35 m), khoảng cách giữa các dầm chủ là 2,0 m. Bản biên trên dầm thép kích thước $30 \times 3\text{ cm}$, bản biên dưới lớp 1 là $30 \times 3\text{ cm}$, bản biên dưới lớp 2 là $36 \times 3\text{ cm}$, sườn dầm cao 101 cm dày 1,8 cm. Dầm ngang sử dụng thép hình U40 (chiều dài 1,68 m, trọng lượng 0,0483 T/m) cách nhau 3 m; bố trí 1944 sườn tăng cường đứng dày 1 cm dọc theo dầm chủ.
• Phương án 3 (Dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực 3 nhịp liên tục): Sơ đồ nhịp 45 m + 70 m + 45 m (tổng chiều dài 160 m). Dầm tiết diện hộp thành xiên; chiều cao dầm biến thiên theo đường cong parabol từ 4,0 m tại đỉnh trụ mút thừa về 1,85 m tại vị trí hợp long giữa nhịp. Bản đáy hộp biến thiên tuyến tính từ 80 cm tại đỉnh trụ về 30 cm tại giữa nhịp; sườn hộp cố định 40 cm; cánh hẫng vuốt từ 25 cm đến 50 cm. Sử dụng bê tông mác M400 cho dầm hộp, gối chậu cao su cốt bản thép và 2 khe co giãn cao su tại vị trí hai mố.

2. Kết cấu phần dưới (Mố và Trụ):

• Mố cầu: Thiết kế mố chữ U bằng bê tông cốt thép thường mác M300 đặt trên hệ móng cọc khoan nhồi đường kính D = 1,0 m (Phương án 1, 2) hoặc mố cọc nhẹ bê tông cốt thép (Phương án 3). Thể tích bê tông một bệ mố là $120\text{ m}^3$ ($2 \times 5 \times 12\text{ m}$), tổng thể tích bê tông một mố là $220,352\text{ m}^3$.
• Trụ cầu: Thiết kế gồm 5 trụ thân đặc mút thừa (T1 đến T5) bằng bê tông cốt thép mác M300. Riêng Phương án 3 sử dụng 2 trụ đặc giữa sông có thân rộng 3,5 m theo phương dọc cầu, 8,5 m theo phương ngang cầu, hai đầu trụ vuốt tròn bán kính $R = 1,5\text{ m}$; bệ móng cọc khoan nhồi kích thước $2,6 \times 11,0\text{ m}$ đặt dưới đường xói chung lòng sông.

3. Quy trình công nghệ thi công:

• Thi công móng và mố trên cạn: San ủi mặt bằng; khoan cọc bằng máy khoan xoay phản tuần hoàn có ống vách dẫn hướng bảo vệ thành vách; thổi rửa mùn khoan, hạ lồng thép, đổ bê tông dưới nước theo phương pháp ống rút thẳng đứng (ống dịch chuyển - vữa dâng); đào hố móng, đập đầu cọc, rải 30 cm đá dăm đệm và 10 cm bê tông lót mác M150; lắp dựng đà giáo ván khuôn đổ bê tông bệ, thân, tường cánh mố và đắp đất nón sau mố.
• Thi công móng và thân trụ dưới nước: Sử dụng hệ phao nổi có đối trọng vận chuyển máy móc thiết bị ra vị trí tim trụ; định vị tim trụ và thả khung định vị bằng thép; đóng vòng vây cọc ván thép chống thấm nước; khoan cọc nhồi lòng sông; đổ bê tông bịt đáy móng theo phương pháp vữa dâng; bơm hút cạn nước hố móng; chỉnh sửa đầu cọc và lắp cốt thép đổ bê tông bệ trụ; thi công thân trụ và mũ trụ theo phân đoạn; dùng búa rung nhổ thu hồi cọc ván thép.
• Thi công kết cấu nhịp:
  • Phương án 1: Đúc sẵn dầm chữ I tại bãi đúc đầu cầu; vận chuyển ra hiện trường bằng xe vận chuyển chuyên dụng; dùng tổ hợp giàn giá ba chân cẩu lắp từng phiến dầm đặt lên gối cầu; đổ bê tông mối nối liên kết dầm ngang và bản mặt cầu tại chỗ.
  • Phương án 2: Gia công liên hợp các đoạn dầm thép chữ I và hàn vấu neo tại nhà máy; lắp ráp tổ hợp dầm thép và hệ liên kết ngang trên bãi lắp ráp đầu cầu thành hệ dầm liên tục; lao kéo dọc qua sông bằng hệ thống tời điện kéo cáp; lắp đặt ván khuôn treo, rải cốt thép và bơm đổ bê tông bản mặt cầu.
  • Phương án 3: Thi công khối dầm K0 dài 14 m cố định trên đỉnh trụ bằng đà giáo mở rộng; lắp dựng xe đúc chạy trên mặt dầm để thi công đúc hẫng cân bằng đối xứng hai nhánh (mỗi nhánh chia 9 đốt, chiều dài mỗi đốt 3,0 m); căng kéo cáp dự ứng lực ngoài và trong sau mỗi đốt đúc; thi công khối dầm 9 m trên đà giáo cố định phía mố; tiến hành hợp long nhịp biên và hợp long nhịp giữa bằng đốt hợp long dài 2,0 m.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Thiết kế sơ bộ - Chương I: Giới thiệu chung

Chương I tập trung luận giải tính cần thiết của dự án đầu tư cầu A, đánh giá điều kiện tự nhiên và hiện trạng kinh tế - giao thông tỉnh Đồng Tháp:

• Khái quát hiện trạng kinh tế: Tăng trưởng nông nghiệp của tỉnh trong giai đoạn 2010 - 2013 đạt 6%/năm; trong đó trồng trọt chiếm 70% giá trị sản lượng, chăn nuôi chiếm 30%. Định hướng phát triển giai đoạn 2013 - 2016 đạt tốc độ 8% và giai đoạn 2016 - 2020 đạt 10%. Dự báo kim ngạch xuất khẩu của khu vực đạt 1 triệu USD vào năm 2010 và nâng lên 3 triệu USD vào năm 2020.
• Đặc điểm mạng lưới giao thông đường bộ: Toàn tỉnh năm 2010 có 1000 km đường bộ; phân loại kết cấu mặt đường gồm đường nhựa chiếm 45%, đường đá đỏ chiếm 35%, đường đất chiếm 20%. Mạng lưới đường thủy có khoảng 200 km luồng tuyến tiếp nhận phương tiện tải trọng từ 1 tấn trở lên. Dự báo tăng trưởng phương tiện của Viện Chiến lược và Phát triển GTVT xác định:
  • Kịch bản dự báo cao: Ô tô tăng 10% (2013 - 2016), 9% (2016 - 2020), 7% (2020 - 2030); xe máy tăng 3%/năm; xe thô sơ tăng 2%/năm.
  • Kịch bản dự báo thấp: Ô tô tăng 8% (2013 - 2016), 7% (2016 - 2020), 5% (2020 - 2030); xe máy tăng 3%/năm; xe thô sơ tăng 2%/năm.
• Điều kiện tự nhiên và địa chất thủy văn: Độ cao địa hình phổ biến từ 1 m đến 2 m so với mực nước biển. Thủy văn sông Vàm Cỏ ghi nhận mực nước cao nhất MNCN = +8,80 m, mực nước kiệt thấp nhất MNTN = +3,00 m, mực nước thông thuyền MNTT = +5,60 m; khẩu độ thoát nước lòng sông ổn định L0 = 150 m. Số liệu địa chất qua 4 hố khoan khảo sát tại các lý trình 10 m, 60 m, 120 m và 190 m phân tầng gồm: Lớp 1 (sét dẻo mềm, SPT N60 từ 3 đến 3,5), Lớp 2 (á sét), Lớp 3 (cát mịn) và Lớp 4 (cát thô, SPT N60 đạt 35).

Phần I: Thiết kế sơ bộ - Chương II: Thiết kế cầu và tuyến

Chương II xác lập quy mô công trình, định hình tuyến vượt sông và đề xuất 3 phương án kết cấu:

• Định hướng tuyến: Tuyến tránh chạy bao quanh khu vực ngoại vi thị xã C, giảm tải áp lực giao thông xuyên tâm đô thị, vượt sông Vàm Cỏ tại vị trí lòng dẫn thẳng, bờ sông ổn định không xuất hiện hiện tượng xói lở.
• Tiêu chuẩn kỹ thuật: Cầu vĩnh cửu; mặt cắt ngang 2 làn xe chạy (K = 11 m, tổng rộng B = 12 m); tải trọng thiết kế HL-93; tần suất lũ P = 1%; khổ thông thuyền luồng sông cấp V rộng 25 m, cao 3,5 m.
• Xác lập 3 phương án kết cấu nhịp:
  • Phương án 1: Cầu dầm giản đơn bê tông cốt thép dự ứng lực gồm 6 nhịp 27 m (sơ đồ nhịp $6 \times 27\text{ m} = 162\text{ m}$, Ltc = 162,5 m), thi công bằng tổ hợp lao lắp dầm bằng giàn giá ba chân.
  • Phương án 2: Cầu dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép 6 nhịp 27 m (sơ đồ nhịp $6 \times 27\text{ m} = 162\text{ m}$, Ltc = 162,0 m), thi công bằng phương pháp lao kéo dọc hệ dầm.
  • Phương án 3: Cầu dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực 3 nhịp liên tục (sơ đồ nhịp 45 m + 70 m + 45 m = 160 m), thi công theo công nghệ đúc hẫng cân bằng đối xứng từ 2 trụ chính giữa sông.

Phần I: Thiết kế sơ bộ - Chương III: Tính toán sơ bộ khối lượng các phương án và lập tổng mức đầu tư

Chương III trình bày toàn bộ tiến trình phân tích cơ học kết cấu, tính toán khối lượng vật tư và tổng hợp dự toán kinh phí cho các phương án thiết kế:

• Tính toán Phương án 1 (Dầm I BTCT DƯL):
  • Tải trọng bản thân: Diện tích dầm ngang $A_{dn} = 0,1165\text{ m}^2$, thể tích một dầm ngang $1,2233\text{ m}^3$, tổng bê tông một nhịp 27 m là $61,486\text{ m}^3$, tổng bê tông 6 nhịp là $392,87\text{ m}^3$. Hàm lượng thép dầm $160\text{ kg/m}^3$. Tĩnh tải lớp phủ mặt cầu dày 12 cm, dung trọng trung bình $2,5\text{ T/m}^3$.
  • Tải trọng mố và trụ: Trọng lượng bệ mố $120\text{ m}^3$, tường cánh $25,2\text{ m}^3$, thân mố $75,152\text{ m}^3$. Bê tông toàn bộ 5 trụ là $924,018\text{ m}^3$, khối lượng $924,045\text{ T}$. Hàm lượng thép thân trụ $150\text{ kg/m}^3$, móng trụ $80\text{ kg/m}^3$, mũ trụ $100\text{ kg/m}^3$.
  • Sức chịu tải của cọc khoan nhồi D = 1,0 m: Cường độ bê tông cọc $f_c' = 30\text{ MPa}$, giới hạn chảy của cốt thép $f_y = 420\text{ MPa}$, diện tích mặt cắt cọc $A_c = 785.000\text{ mm}^2$, cốt thép dọc $A_{st} = 15.700\text{ mm}^2$ (hàm lượng 2%). Lực nén danh định và sức chịu tải theo vật liệu $P_v = 1670,8\text{ T}$. Sức chịu tải cọc theo nền đất đá $Q_R$ qua mũi cọc ngàm vào tầng sét dẻo và cát thô được kiểm toán. Phản lực đáy đài mố ở trạng thái giới hạn cường độ I là $R_{\text{đáy đài}} = 1038,915\text{ T}$, bố trí 6 cọc khoan nhồi D1000 cho một mố; móng trụ giữa T3 bố trí 6 cọc khoan nhồi D1000.
  • Bảng dự toán Phương án 1: Tổng mức đầu tư được xác định là 57.514.365.501 đồng. Trong đó giá trị dự toán xây lắp trực tiếp chính là 49.542.737.480 đồng (kết cấu phần trên chiếm 31.230.761.480 đồng, kết cấu phần dưới chiếm 18.311.976.000 đồng, đường hai đầu cầu chiếm 312.950.000 đồng). Đơn giá bình quân tính trên $1\text{ m}^2$ mặt cầu là 19.933.237 đồng.
• Tính toán Phương án 2 (Dầm thép liên hợp bản BTCT):
  • Tải trọng và vật liệu: Dầm thép chữ I cao 1,1 m, bản bê tông M400 dày 20 cm, sườn tăng cường dọc $101 \times 12 \times 1\text{ cm}$. Khối lượng thép dầm chủ 6 nhịp là 304,35 T; thép dầm ngang U40 gồm 270 cái nặng 32,5 T; thép sườn gia cường 1944 cái nặng 42,12 T. Bê tông dầm liên hợp đạt $250,7\text{ m}^3$, cốt thép bản mặt dầm 72,053 T.
  • Mố trụ: Kết cấu phần dưới tương tự Phương án 1 với cọc khoan nhồi D = 1,0 m, bệ mố trụ bê tông cốt thép mác M300.
  • Bảng dự toán Phương án 2: Tổng mức đầu tư là 63.890.903.600 đồng. Trong đó dự toán xây lắp chính đạt 43.408.712.000 đồng (kết cấu phần trên chiếm 24.897.250.000 đồng, kết cấu phần dưới 18.311.976.000 đồng, đường đầu cầu 199.486.000 đồng). Chỉ tiêu chi phí trên $1\text{ m}^2$ mặt cầu đạt 21.350.159 đồng.
• Tính toán Phương án 3 (Cầu liên tục đúc hẫng):
  • Hình học dầm hộp: Chiều cao dầm biến thiên parabol theo công thức: $$Y_1 = \frac{H_p - h_m}{L^2} \cdot x^2 + h_m = \frac{4,0 - 1,85}{49^2} \cdot x^2 + 1,85$$ với chiều dài nhánh hẫng L = 49 m, chiều cao dầm tại đỉnh trụ $H_p = 4,0\text{ m}$, tại giữa nhịp $h_m = 1,85\text{ m}$. Chiều dày bản đáy hộp biến thiên theo phương trình bậc nhất $y = 0,0102L_x + 0,3\text{ m}$ (từ 80 cm tại đỉnh trụ về 30 cm tại giữa nhịp).
  • Phân đốt đúc: Khối K0 đỉnh trụ dài 14 m; 9 đốt đúc hẫng đối xứng dài 3,0 m/đốt; khối thi công trên đà giáo cố định dài 9 m; đốt hợp long biên và giữa dài 2,0 m.
  • Móng trụ đúc hẫng: Sử dụng hệ cọc khoan nhồi đường kính lớn D = 1,2 m ngàm sâu 20 m vào tầng cát thô.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu khả thi và thiết kế sơ bộ công trình cầu A vượt sông Vàm Cỏ trên tỉnh lộ E thuộc tỉnh Đồng Tháp. Kết quả tính toán kỹ thuật và chỉ tiêu kinh tế giữa các phương án được tổng hợp so sánh cụ thể trong bảng dưới đây:

Thông số so sánh	Phương án 1 (Dầm giản đơn BTCT DƯL)	Phương án 2 (Dầm thép liên hợp bản BTCT)	Phương án 3 (Dầm hộp liên tục đúc hẫng)
Sơ đồ kết cấu nhịp	6 nhịp giản đơn: $6 \times 27\text{ m}$	6 nhịp giản đơn: $6 \times 27\text{ m}$	3 nhịp liên tục: $45\text{ m} + 70\text{ m} + 45\text{ m}$
Tổng chiều dài cầu ($L_{tc}$)	162,5 m	162,0 m	160,0 m
Bề rộng mặt cầu	K = 11,0 m; B = 12,0 m	K = 11,0 m; B = 12,0 m	K = 11,0 m; B = 12,0 m
Chiều cao dầm chủ	Dầm I cao 1,35 m - 1,8 m	Dầm liên hợp cao 1,35 m	Biến thiên parabol: 1,85 m đến 4,0 m
Vật liệu dầm chủ	Bê tông M300, cáp VSL	Thép CT3, bê tông M400	Bê tông M400, cáp DƯL
Kết cấu móng mố, trụ	Cọc khoan nhồi D = 1,0 m	Cọc khoan nhồi D = 1,0 m	Cọc khoan nhồi D = 1,2 m (dài 20 m)
Biện pháp thi công nhịp	Lao lắp bằng giàn giá ba chân	Lao kéo dọc bằng tời cáp	Đúc hẫng cân bằng đối xứng
Giá trị dự toán xây lắp chính	49.542.737.480 đồng	43.408.712.000 đồng	Đang bóc tách phân đốt đúc hẫng
Tổng mức đầu tư toàn bộ	57.514.365.501 đồng	63.890.903.600 đồng	Chưa tổng hợp toàn phần
Suất đầu tư trên $1\text{ m}^2$ cầu	19.933.237 đồng/$m^2$	21.350.159 đồng/$m^2$	Chưa xác định theo văn bản

Các đóng góp thực tế từ nghiên cứu của tác giả:

• Thiết lập cơ sở dữ liệu kỹ thuật đầy đủ tại vị trí vượt sông Vàm Cỏ, gắn kết chỉ tiêu địa chất thực tế từ 4 hố khoan với bài toán tính toán kết cấu móng cọc khoan nhồi theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05.
• Cung cấp phương án định lượng chi tiết về chi phí đầu tư: Phương án 1 (dầm I BTCT DƯL) có tổng mức đầu tư 57.514.365.501 đồng, tiết kiệm hơn Phương án 2 (dầm thép liên hợp) là 6.376.538.099 đồng (tương đương chênh lệch suất đầu tư $1.416.922\text{ đồng/m}^2$). Sự chênh lệch này xuất phát từ khối lượng thép nhập khẩu lớn (thép dầm chủ, dầm ngang, sườn gia cường lên tới hơn 378 tấn) dẫn đến chi phí vật tư phần trên của Phương án 2 tăng cao.
• Đề xuất giải pháp công nghệ thi công bán lắp ghép và đúc hẫng phù hợp với năng lực thiết bị cơ giới trong nước, giải quyết triệt để xung đột giao thông thủy trong quá trình thi công luồng sông cấp V.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Do giới hạn về mặt thời gian và kinh nghiệm thực tế của tác giả (được ghi nhận trong Lời nói đầu), nội dung tài liệu chỉ mới dừng lại ở phạm vi Phần I: Thiết kế sơ bộ so sánh phương án.
• Tập tài liệu chưa hoàn thiện bảng tổng mức đầu tư chi tiết và phân tích kinh tế tổng hợp cho Phương án 3 (dầm hộp đúc hẫng liên tục), phần tính toán dừng lại ở khâu xác định kích thước mặt cắt dầm và bảng thể tích các khối đốt đúc hẫng ($K_0$ đến $K_9$).
• Các kiểm toán chuyên sâu về dao động, tải trọng gió bão vùng ven biển, độ võng dài hạn do từ biến - co ngót của bê tông và mô hình hóa không gian bằng phần mềm kết cấu chuyên dụng chưa được trình bày chi tiết trong tập văn bản này.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

• Hoàn thiện lập dự toán chi tiết cho Phương án 3 để hoàn chỉnh bảng so sánh đa tiêu chí (kinh tế, kỹ thuật, thẩm mỹ, duy tu bảo dưỡng).
• Triển khai giai đoạn Thiết kế kỹ thuật (Phần II) cho phương án được lựa chọn: phân tích nội lực cục bộ bản mặt cầu, bố trí quỹ đạo cáp dự ứng lực, thiết kế chi tiết cốt thép thường mố trụ, cấu tạo gối chậu và khe co giãn.
• Xây dựng biện pháp tổ chức thi công chi tiết, thiết kế đà giáo thi công khối K0, xe đúc treo và lập biểu đồ tiến độ thi công tổng thể cho công trình.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

• Sinh viên chuyên ngành Xây dựng Cầu đường, Công trình Giao thông thuộc các trường đại học kỹ thuật khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế cầu bê tông cốt thép, Thiết kế cầu thép hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư cầu đường.
• Cán bộ kỹ thuật, kỹ sư thiết kế tại các viện nghiên cứu và công ty tư vấn giao thông cần tài liệu mẫu về trình tự so sánh các phương án kết cấu cầu vượt sông vùng đồng bằng.

Các phần nội dung có giá trị thực hành cao:

• Phương pháp xếp tải trọng HL-93 trên đường ảnh hưởng mố, trụ và tổ hợp tải trọng theo trạng thái giới hạn cường độ I của tiêu chuẩn 22 TCN 272-05.
• Quy trình giải tích xác định sức chịu tải danh định của cọc khoan nhồi đường kính lớn theo sức kháng vật liệu và sức kháng thành, kháng mũi đất nền.
• Cấu trúc biểu bảng bóc tách khối lượng và thiết lập dự toán chi phí xây lắp hạng mục cầu và đường hai đầu cầu theo các thông tư hướng dẫn quản lý chi phí đầu tư xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình cầu A bắc qua sông Vàm Cỏ áp dụng tiêu chuẩn kỹ thuật và tải trọng thiết kế nào?

Công trình áp dụng Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 của Bộ Giao thông Vận tải; thiết kế vĩnh cửu bằng bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực; tần suất lũ thiết kế P = 1%; tải trọng hoạt tải tiêu chuẩn HL-93; luồng sông cấp V với khổ thông thuyền quy định chiều rộng B = 25 m và chiều cao H = 3,5 m (phương án dầm liên tục xét tĩnh không H = 3,0 m).

2. Điều kiện thủy văn tại vị trí xây dựng cầu A có các thông số mực nước đặc trưng nào?

Theo số liệu thủy văn sông Vàm Cỏ được tác giả trích dẫn:

• Mực nước cao nhất thiết kế: MNCN = +8,80 m.
• Mực nước thấp nhất: MNTN = +3,00 m.
• Mực nước thông thuyền: MNTT = +5,60 m.
• Khẩu độ thoát nước tự nhiên của lòng sông là $L_0 = 150\text{ m}$.

3. Cấu tạo kết cấu nhịp của Phương án 1 và Phương án 2 khác nhau như thế nào?

• Phương án 1 gồm 6 nhịp giản đơn 27 m bằng dầm bê tông cốt thép dự ứng lực chữ I cao 1,35 m - 1,8 m, mặt cắt ngang gồm 5 dầm chủ cách nhau 2,4 m, bố trí 5 dầm ngang/nhịp, thi công bằng phương pháp lao lắp bằng giàn giá ba chân.
• Phương án 2 gồm 6 nhịp giản đơn 27 m bằng dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép, dầm thép chữ I cao 1,1 m kết hợp bản bê tông dày 20 cm (chiều cao toàn bộ 1,35 m), mặt cắt ngang gồm 6 dầm chủ cách nhau 2,0 m, sử dụng dầm ngang thép hình U40 và sườn tăng cường đứng, thi công bằng phương pháp lao kéo dọc hệ dầm bằng tời và cáp.

4. Tổng mức đầu tư giữa Phương án 1 và Phương án 2 chênh lệch ra sao?

• Tổng mức đầu tư Phương án 1 là 57.514.365.501 đồng, đơn giá mặt cầu là 19.933.237 đồng/$m^2$.
• Tổng mức đầu tư Phương án 2 là 63.890.903.600 đồng, đơn giá mặt cầu là 21.350.159 đồng/$m^2$.
• Phương án 1 có tổng mức đầu tư thấp hơn Phương án 2 là 6.376.538.099 đồng nhờ tiết kiệm đáng kể chi phí vật liệu thép nhập khẩu gia công dầm chủ và hệ dầm ngang.

5. Phương trình biến thiên chiều cao dầm và phân chia đốt đúc hẫng của Phương án 3 được xác định như thế nào?

Chiều cao dầm hộp đáy thay đổi theo phương trình parabol: $Y_1 = \frac{4,0 - 1,85}{49^2} \cdot x^2 + 1,85$, với chiều cao dầm tại đỉnh trụ đạt 4,0 m và vuốt dần về 1,85 m tại giữa nhịp (nhánh hẫng dài 49 m). Chiều dày bản đáy thay đổi từ 80 cm tại đỉnh trụ về 30 cm tại giữa nhịp. Kết cấu nhịp được phân chia gồm đốt K0 dài 14 m trên đỉnh trụ, 9 đốt đúc hẫng mỗi đốt dài 3,0 m, khối thi công trên đà giáo cố định dài 9 m và đốt hợp long dài 2,0 m.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Hữu Tân đã giải quyết bài toán kỹ thuật thiết kế sơ bộ cầu A vượt sông Vàm Cỏ trên tỉnh lộ E thuộc tỉnh Đồng Tháp trên cơ sở bám sát các căn cứ pháp lý và tiêu chuẩn thiết kế 22 TCN 272-05. Tác giả đã đề xuất và tính toán so sánh định lượng 3 phương án kết cấu nhịp (dầm I BTCT DƯL, dầm thép liên hợp và dầm hộp liên tục đúc hẫng) cùng giải pháp móng mố trụ trên cọc khoan nhồi phù hợp với địa tầng khu vực. Kết quả nghiên cứu xác định phương án dầm giản đơn BTCT DƯL có ưu thế vượt trội về mặt kinh tế với tổng mức đầu tư 57,51 tỷ đồng và biện pháp thi công khả thi. Công trình cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo tốt cho sinh viên và kỹ sư ngành xây dựng cầu đường trong công tác lập dự án và thiết kế kết cấu công trình vượt sông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Tr-êng ®¹i häc D¢N LËP H¶I PHßNG ®å ¸n tèt nghiÖp Khoa x©y dùng LỜI NÓI ĐẦU Trong xu thế phát triển chung của thế giới, sự phát triển của nền kinh tế luôn đi kèm với sự phát triển cở sở hạ tầng GTVT. Hay nói cách khác, GTVT luôn luôn là ngành phải đi trước một bước. Đối với một nước có nền kinh tế đang trên đà phát triển như nước ta, việc phát triển cơ sơ hạ tầng GTVT hơn lúc nào hết có một ý nghĩa vô cùng to lớn. Những cây cầu mới xây, những tuyến đường mới mở không những hoàn thiện thêm mạng lưới giao thông quốc gia tạo nền tảng vững chắc cho giao lưu, thông thương giữa các vùng miền mà còn thu hút vốn đầu tư nước ngoài góp phần đẩy nhanh tiến trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước.

Nhận thức được điều đó, sau 4 năm học tập và nghiên cứu về chuyên ngành “Thiết kế cầu” tại bộ môn “Xây dựng cầu đường” của trường đại học dân lập Hải Phòng, em đã có được những kiến thức cơ bản và những kinh nghiệm thực tế quý báu về chuyên ngành thiết kế cầu đường. Kết quả học tập qua quá trình 4 năm học đã phần nào được phản ánh trong đồ án tốt nghiệp mà em xin trình bày ở dưới đây. Để có được kết quả ngày hôm nay, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo thuộc bộ môn Xây Dựng trường ĐHDL Hải Phòng, đã giúp đỡ em trong suốt 4 năm học qua. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thấy giáo: ThS.

Trần Anh Tuấn đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế, đồ án của em không tránh khỏi có những sai sót. Rất mong được sự thông cảm và giúp đỡ của các thầy cô. Hải Phòng, ngày 18 tháng 01 năm 2014 Sinh viên Vũ Hữu Tân SV: Vò H÷u T©n_1351050023 trang: 1 Tr-êng ®¹i häc D¢N LËP H¶I PHßNG ®å ¸n tèt nghiÖp Khoa x©y dùng PhÇn I ThiÕt kÕ s¬ bé Ch-¬ng I: giíi thiÖu chung I.

Nghiªn cøu kh¶ thi: I.1 Giíi thiÖu chung: - CÇu A lµ c©y cÇu b¾c qua s«ng Vµm Cá nèi liÒn hai huyÖn C vµ D thuéc tØnh §ång Th¸p. §©y lµ tuyÕn ®-êng huyÕt m¹ch gi÷a hai huyÖn C vµ D, n»m trong quy ho¹ch ph¸t triÓn kinh tÕ cña tØnh §ång Th¸p. HiÖn t¹i, c¸c ph-¬ng tiÖn giao th«ng v-ît s«ng b»ng c¸ch duy nhÊt lµ ®i phµ. §Ó ®¸p øng nhu cÇu vËn t¶i, gi¶i to¶ ¸ch t¾c giao th«ng ®-êng thuû khu vùc cÇu vµ hoµn chØnh m¹ng l-íi giao th«ng cña tØnh, cÇn tiÕn hµnh kh¶o s¸t vµ nghiªn cøu x©y dùng míi c©y cÇu A v-ît qua s«ng Vµm Cá.

C¸c c¨n cø lËp dù ¸n:  C¨n cø quyÕt ®Þnh sè 1206/2004/QD - UBND ngµy 11 th¸ng 12 n¨m 2004 cña UBND tØnh §ång Th¸p vÒ viÖc phª duyÖt quy ho¹ch ph¸t triÓn m¹ng l-íi giao th«ng tØnh §ång Th¸p giai ®o¹n 1999 - 2020 vµ ®Þnh h-íng ®Õn n¨m 2030.  C¨n cø v¨n b¶n sè 215/UB - GTXD ngµy 26 th¸ng 3 n¨m 2005 cña UBND tØnh §ång Th¸p cho phÐp Së GTVT lËp dù ¸n ®Çu t- c©y cÇu A, nghiªn cøu ®Çu t- x©y dùng c©y cÇu A.  C¨n cø v¨n b¶n sè 260/UB - GTXD ngµy 17 th¸ng 4 n¨m 2005 cña UBND tØnh §ång Th¸p vÒ viÖc cho phÐp më réng ph¹m vi nghiªn cøu c©y cÇu E vÒ phÝa T©y s«ng Vµm Cá.  C¨n cø v¨n b¶n sè 1448/C§S - QL§S ngµy 14 th¸ng 8 n¨m 2001 cña Côc ®-êng s«ng ViÖt Nam.

Ph¹m vi cña dù ¸n: - Trªn c¬ së quy ho¹ch ph¸t triÓn ®Õn n¨m 2030 cña hai huyÖn C - D nãi riªng vµ tØnh §ång Th¸p nãi chung, ph¹m vi nghiªn cøu dù ¸n x©y dùng tuyÕn ®-êng nèi hai huyÖn C – D.